厚度對RTM成型國產(chǎn)T800碳纖維增強復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

李曄，張連旺，張堯州，鐘翔嶼，包建文

(1.航空工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300; 2.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300;3.先進復(fù)合材料重點實驗室，北京 101300)

0 引言

碳纖維具有高強、高模、輕質(zhì)等特點，以其為增強體制備的復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空航天、體育器材等領(lǐng)域[1]。T300級、T700級等碳纖維復(fù)合材料已有較充分的研究與應(yīng)用[2]；T800級碳纖維為高強中模型碳纖維，與T300級碳纖維相比，其纖維拉伸強度提高了50%以上，拉伸模量提高20%以上，由于性能優(yōu)異，美歐等相繼在新研機型上大規(guī)模應(yīng)用了高強中模型碳纖維復(fù)合材料[3]。例如Boeing787在機身、機翼、尾翼等結(jié)構(gòu)上大量采用了高強中模型碳纖維復(fù)合材料[4]，但我國對于以國產(chǎn)T800級碳纖維為增強體的復(fù)合材料應(yīng)用還處于起步階段。

樹脂傳遞模塑(resin transfer moulding，RTM)技術(shù)作為復(fù)合材料液態(tài)成型工藝中的典型代表，目前成為復(fù)合材料低成本化制造的主流技術(shù)之一[5]。由于RTM工藝可整體成型，故可以生產(chǎn)外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度高及外形尺寸穩(wěn)定性良好的復(fù)合材料構(gòu)件，這樣減少了緊固件數(shù)量、提高了裝配精度及降低了裝配成本，在復(fù)合材料低成本制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6]。

鑒于國產(chǎn)T800級碳纖維優(yōu)異的力學(xué)性能及RTM工藝的低成本制造技術(shù)，本文主要研究以國產(chǎn)T800級碳纖維單向簾子布U-8190為增強體，AC520RTM液態(tài)成型環(huán)氧樹脂為基體，采用RTM工藝成型的復(fù)合材料的力學(xué)性能，為AC520RTM/ U-8190復(fù)合材料推廣應(yīng)用提供參考。

1 實驗方法

1.1 原材料

增強材料：國產(chǎn)T800單向簾子布U-8190，面密度190 g/cm3，威海拓展纖維有限公司；樹脂基體：AC520RTM液態(tài)成型環(huán)氧樹脂，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司。

1.2 設(shè)備及工裝

鼓風(fēng)干燥箱：溫度范圍室溫～250 ℃，內(nèi)容積(深×寬×高)800 mm×1 000 mm×600 mm，成都天宇試驗設(shè)備有限責(zé)任公司。

1.3 AC520RTM/U-8190復(fù)合材料制備

將模具、注膠罐和管路系統(tǒng)放入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度至60～90 ℃，將AC520RTM樹脂加入注膠罐(已預(yù)熱至60～90 ℃)中抽真空(真空度不低于-0.08 MPa)40～60 min，以脫除樹脂中的氣泡；打開注膠閥門通過壓縮空氣進行AC520RTM樹脂注射，觀察出膠口的出膠情況。若出膠口處溢出的樹脂中有氣泡，則保持流膠，待出膠無氣泡后，關(guān)閉該出膠口，直至全部出膠口關(guān)閉；注射完成。撤去注膠系統(tǒng)，開始升溫固化；固化時間180 ℃×3 h。固化完成后關(guān)閉加熱和鼓風(fēng)，模具隨爐冷卻，脫模后取出平板試驗件。

1.4 力學(xué)測試

試驗設(shè)備：電子萬能材料試驗機，試驗機型號Instron5982，精度：0.5級。試驗環(huán)境溫度23 ℃±3 ℃，濕度≤60%。0 °、90 °拉伸試驗件加工及測試參照ASTM D3039—2000，0 °壓縮參照SACAM R1—1994，90 °壓縮試驗件加工及測試參照ASTM D6641—2009，開孔拉伸試驗件加工及測試參照ASTM D5766—2011，開孔壓縮試驗件加工及測試參照ASTM D6484—2009進行。

2 結(jié)果與討論

復(fù)合材料的力學(xué)性能是評價其使用性能的最重要的性能，本文分別從0 °/90 °拉伸性能、0 °/90 °壓縮性能、開孔拉伸及開孔壓縮性能分析了AC520RTM/U-8190復(fù)合材料在上述性能中表現(xiàn)出的特點。0 °拉伸及0 °壓縮板材鋪層順序為[0]6，采用RTM工藝制備的4種厚度的AC520RTM/U-8190復(fù)合材料內(nèi)部質(zhì)量如圖1，對于無損檢測圖像，在紅色偏白、紅色和橙色區(qū)域，纖維與樹脂界面結(jié)合良好，沒有孔隙和分層，在黃色、綠色或藍(lán)色區(qū)域，表示板材內(nèi)部存在不同程度的密集孔隙、孔洞或分層缺陷。從板材C-掃結(jié)果可知厚度為1.25 mm、1.16 mm、0.98 mm復(fù)合材料板件內(nèi)部質(zhì)量良好，厚度為0.94 mm內(nèi)部質(zhì)量較差。

圖1 四種(1.25 mm 、1.16 mm、0.98 mm、0.94 mm)厚度板材內(nèi)部質(zhì)量檢測圖像

復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)與單層厚度滿足

(1)

式中：t——單層厚度，mm；

m——織物面密度，g/m2；

ρ——纖維體密度g/m3；

v——纖維體積含量。

由于單層厚度與纖維體積分?jǐn)?shù)成反比，試樣厚度越小，纖維體積含量越高。隨著纖維體積含量的上升，預(yù)成型體中纖維束內(nèi)及纖維束間的自由空間變得更小，樹脂基體難以完全浸漬預(yù)成型體。此時會在纖維束內(nèi)或纖維束間出現(xiàn)干紗或干斑，此種狀態(tài)下獲得的拉伸力學(xué)性能數(shù)據(jù)不能真實體現(xiàn)復(fù)合材料的性能。從上述試驗結(jié)果基本可獲得AC520RTM/U-8190復(fù)合材料板材纖維體積含量上限為68%。纖維體積含量高于68%時，采用RTM工藝成型的復(fù)合材料板材貧膠現(xiàn)象嚴(yán)重，內(nèi)部會出現(xiàn)分層、密集孔隙、孔洞等缺陷。

內(nèi)部質(zhì)量無缺陷的板材0 °拉伸強度實驗結(jié)果如圖2，厚度1.25 mm的試樣的拉伸強度為1 857 MPa，厚度1.16 mm的試樣的拉伸強度為2 336 MPa，厚度0.98 mm的試樣的拉伸強度為2 467 MPa。這表明相同鋪層狀態(tài)下，試樣厚度越小，0 °拉伸強度越高。因為試樣厚度越小，維體積含量越高，復(fù)合材料的0 °拉伸強度主要由纖維增強體控制，所以隨著纖維體積含量的上升，0 °拉伸強度越高。

圖2 不同厚度試樣0 °拉伸強度對比

圖3 1.25 mm厚度拉伸試樣宏觀破壞狀態(tài)

圖4 0.98 mm厚度拉伸試樣宏觀破壞狀態(tài)

圖5 1.25 mm拉伸試樣微觀截面狀態(tài)

圖6 0.98 mm拉伸試樣微觀截面狀態(tài)

圖3、圖4為試樣厚度為1.25 mm及0.98 mm的拉伸破壞模式，圖3中斷裂口較為整齊，厚度1.25 mm的纖維體積含量為51.3%，此時纖維束內(nèi)及束間的樹脂所占空間較大，纖維體份較低，拉伸強度較低。圖4為 0.98 mm的拉伸破壞模式，斷裂口較為參差不齊，纖維呈現(xiàn)為拔出狀態(tài)，更有利于發(fā)揮增強纖維的拉伸性能，0.98 mm厚度試樣纖維體積含量為65.3%，拉伸強度較高。進一步將厚度為1.25 mm及0.98 mm樣品進行微觀分析，從圖5、圖6可以看出2組試樣纖維增強體在復(fù)合材料的分布狀態(tài)，當(dāng)試樣厚度較大時，纖維在復(fù)合材料中所占體份較低，分布相對稀疏；厚度較小的纖維體份更高；排布更致密。同樣表明，當(dāng)纖維體份偏高時利于發(fā)揮纖維強度。

對于AC520RTM/U-8190復(fù)合材料0 °壓縮強度，雖然其承載能力主要由纖維增強體提供，但其必須通過樹脂基體作為載體傳遞，反應(yīng)增強體與樹脂基體的界面結(jié)合狀態(tài)，當(dāng)界面結(jié)合力越強，0 °壓縮強度越高。如圖7所示，厚度分別為0.98 mm、1.16 mm及1.25 mm板材，通過SACAM R1獲得的測試數(shù)據(jù)經(jīng)正則化處理為纖維體積含量為55%的標(biāo)準(zhǔn)厚度，0 °壓縮強度依次為1 471 MPa、1 432 MPa、1 404 MPa。對于AC520RTM/U-8190復(fù)合材料，樹脂基體與纖維增強體界面粘結(jié)效果較好。對于不同厚度試驗件，0 °壓縮強度差異不明顯，基本不受厚度影響。

圖7 不同厚度試樣0 °壓縮強度對比

圖8 不同厚度試樣開孔拉伸強度對比

對于AC520RTM/U-8190復(fù)合材料的開孔拉伸性能，設(shè)計鋪層順序為[45/0/-45/-90]2S，采用RTM工藝制得3種厚度的復(fù)合材料板材，實驗結(jié)果如圖8所示。厚度為2.88 mm、3.00 mm、3.21 mm對應(yīng)的開孔拉伸強度分別為485 MPa、 459 MPa、434 MPa，可見開孔拉伸強度同樣受纖維體積含量影響較大，開孔拉伸的承載狀態(tài)中主要由0 °方向的纖維增強體提供，隨著纖維體積含量的上升開孔拉伸強度提高。

對于AC520RTM/U-8190復(fù)合材料開孔壓縮強度，分析了體積含量相同、厚度不同對于開孔壓縮強度的影響。圖9為實驗結(jié)果，厚度為3.04 mm，鋪層方式為[45/0/-45/-90]2S，開孔壓縮強度為278 MPa;厚度為4.56 mm，鋪層方式為[45/0/-45/-90]3S，開孔壓縮強度為294 MPa。兩種厚度開孔壓縮強度的差異在于試樣在承受受壓載荷過程中破壞模式不同。所有壓縮試驗都害怕屈曲破壞，開孔壓縮也不例外。3.04 mm的試樣，由于試樣厚度較薄，試樣在受壓破壞之前已經(jīng)發(fā)生了屈曲破壞，開孔壓縮強度偏低；而對于4.56 mm的試樣，厚度的增加提高了試樣的剛度，改善了試樣受壓時的抗屈曲能力，與3.04 mm的試樣相比，開孔壓縮強度較高。

圖9 相同纖維體積含量不同厚度試樣開孔壓縮強度對比

對于AC520RTM/U-8190復(fù)合材料的90 °壓縮性能，分析了纖維體積含量相同條件下，不同厚度及是否粘貼加強片對90 °壓縮強度的影響，試驗結(jié)果如圖10所示。厚度2.28 mm，鋪層方式為[0]12，粘貼加強片的90 °壓縮強度為184 MPa，不粘貼加強片的90 °壓縮強度為205 MPa；厚度3.42 mm，鋪層方式為[0]18，粘貼加強片的90 °壓縮強度為195 MPa，不粘貼加強片的90 °壓縮強度為218 MPa。相同鋪層狀態(tài)下，不粘貼加強片的試樣強度比粘貼加強片的高約10%；當(dāng)試樣貼片狀態(tài)相同時(兩種厚度試樣同時貼片或均不貼片)，試樣3.42 mm厚度的強度高于厚度為2.28 mm試樣，高于幅度約5%。當(dāng)試樣粘貼加強片時，加強片邊緣處與工作段的交界處的應(yīng)力集中，使得試樣受載時在應(yīng)力集中區(qū)提前破壞；不粘貼加強片時，直接消除了加強片固化產(chǎn)生的應(yīng)力集中，避免了試樣因應(yīng)力集中發(fā)生提前破壞，能夠較好地發(fā)揮試樣本身承載狀態(tài)。90 °壓縮性能同屬于壓縮范疇，厚度較大時剛性更好，抗屈曲能力更強，能更真實反映材料抗壓能力。

圖10 相同纖維體積含量不同厚度試樣90 °壓縮強度對比

圖11 不同厚度試樣90 °拉伸強度對比

采用RTM工藝制備的AC520RTM/U-8190復(fù)合材料90 °拉伸性能，實驗結(jié)果如圖11所示。鋪層順序為[0]12，厚度為2.08 mm、2.20 mm、2.28 mm的試樣90 °拉伸強度分別為68.5 MPa、67.3 MPa、72.2 MPa，復(fù)合材料90 °拉伸強度主要由樹脂基體性能控制，受材料厚度影響較小。

3 結(jié)論

(1)采用RTM工藝成型的AC520RTM/U-8190復(fù)合材料纖維體積含量上限為68%，達(dá)到纖維體積分?jǐn)?shù)上限后，內(nèi)部會出現(xiàn)分層、密集孔隙或孔洞等缺陷。

(2)隨著纖維體積含量的上升，AC520RTM/U-8190復(fù)合材料0 °拉伸強度、開孔拉伸強度也相應(yīng)提高。

(3)將AC520RTM/U-8190復(fù)合材料的測試結(jié)果正則化處理，可知厚度對0 °壓縮強度基本沒有影響；90 °拉伸強度主要由樹脂基體控制，受厚度影響較小。

(4)AC520RTM/U-8190復(fù)合材料90 °壓縮強度、開孔壓縮強度受厚度影響較大。厚度較大時，抗屈曲破壞能力較好，承受壓縮載荷能力較強。